Технология изготовления вяжущих веществ низкой водопотребности

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 691.5

Карагандинский государственный технический университет, кафедра ТСМИ

Технология изготовления вяжущих веществ низкой водопотребности

Т.Б. АХМЕТЖАНОВ, к.т.н., ст. преподаватель,

Высокоэффективные вяжущие вещества нового поколения сегодня получают с использованием многокомпонентных составов, обеспечивающие получение высококачественных бетонов разного функционального назначения с улучшенными строительно-эксплуатационными свойствами. В основу создания таких вяжущих положен принцип целенаправленного управления технологией на всех ее этапах: использование активных компонентов, разработка оптимальных составов, применение химических модификаторов и некоторые другие приемы. По такому принципу получают малоклинкерные вяжущие, содержащие отходы разного происхождения, включая зольные и шлаковые отходы [1,2]. Следует отметить, что теоретические аспекты данного вопроса поднимались ранее [3,4]. Однако они требуют дополнительных экспериментальных подтверждений и обсуждения.

Новые возможности улучшения строительно-технических свойств вяжущих при одновременном повышении степени утилизации промышленных отходов дало применение в технологии производства многокомпонентных вяжущих метода механохимической активации, на котором основано получение вяжущих нового поколения - вяжущие низкой водопотребности. Технология изготовления вяжущих низкой водопотребности основана на механической активации портландцемента или клинкера с минеральными добавками и модификатором, содержащим водопонижающий компонент, например, сухой порошкообразный суперпластификатор С-3. Механическая активация осуществляется путем совместного помола указанных компонентов по специальному режиму в помольных агрегатах периодического или непрерывного действия, главным образом, в шаровых мельницах. Свойства вяжущих низкой водопотребности (ВНВ) и бетонов на их основе изменяются в широких пределах в зависимости от вида и содержания минеральной добавки, являющейся основным классификационным признаком вяжущих.

Чистоклинкерные вяжущие ВНВ-100 (100% портландцемента или клинкера) характеризуются максимальными прочностными показателями, темпами твердения и долговечностью. Их активность в зависимости от характеристик исходного цемента или клинкера составляет от 70 до 100 МПа, а темпы твердения обеспечивают возможность изготовления железобетонных изделий и конструкций без тепловлажностной обработки при достижении отпускной прочности через 18-24 ч после формования. Для бетонов на основе ВНВ-100 характерны повышенные значения кубиковой и призменной прочности (от 70 до 100 МПа при расходах вяжущего в пределах 300-500 кг/м3, а при использовании высококачественных заполнителей - до 150 МПа), водонепроницаемости, сульфатостойкости, морозостойкости (600-800 циклов и более).

Уменьшение доли цемента в вяжущем до 50% с введением соответствующего количества минеральных добавок (кварцевого песка, доменного гранулированного шлака или их смеси в равных соотношениях) приводит к некоторому снижению активности вяжущего (ВНВ-50), которая составляет от 50 до 80 МПа, прочность бетона 60-70 МПа, морозостойкость не ниже 400-600 циклов.

Активность вяжущего с содержанием клинкерной части 30% (ВНВ-30) в зависимости от вида минеральной добавки соответствует активности портландцементов марок 400-600 (40-60 МПа) и обеспечивает получение прочности бетонов не менее 40-50 МПа при морозостойкости не ниже 200 циклов.

Присущие ВНВ и бетонам на их основе особенности свойств связаны с результатом механохимической активации, которая приводит к частичному диспергированию зерен цемента по слабым связям и механодеструкции элементов их структуры. При этом существенно возрастает количество активных центров в единице объема, что может быть отнесено и к поверхности зерен кремнеземистой части минеральной добавки в составе вяжущего. По мнению авторов [5], в процессе механоактивации происходит своеобразное блокирование (капсулирование) высокодисперсных и высокоактивных частиц цемента и активной минеральной добавки молекулами органического модификатора (суперпластификатор С-3), что сопровождается своеобразной подготовкой поверхности частиц твердой дисперсной фазы к взаимодействию с дисперсионной средой - водой. При этом авторами не исключается образование органоминеральных комплексов между тонкодисперсными клинкерными минералами и молекулами модификатора за счет механодеструкции и перестройки образованных структур в процессе механической обработки системы. Предполагается, что имеет место достаточно прочное закрепление и фиксация указанных оболочек молекул модификатора на аморфизированной поверхности полиминеральных зерен.

В конечном итоге при этом достигается значительное (на 30-40%) снижение водопотребности ВНВ по сравнению с исходными цементами и обеспечивается длительное сохранение гидратационной активности вяжущего при его хранении.

Таким образом, практическая реализация принципов физико-химии в технологии получения вяжущего позволила исключить характерное для традиционных портландцементов противоречие между повышением гидратационной активности, темпов твердения и прочности при увеличении дисперсности клинкерных зерен и негативными последствиями этого, которые выражаются в увеличении водопотребности, быстрой потере активности при хранении и интенсивном расходовании клинкерного фонда, что уменьшает способность современных тонкомолотых цементов к "самозалечиванию" при длительной эксплуатации конструкций и может отрицательно сказаться на их долговечности.

Отмеченные особенности свойств вяжущих низкой водопотребности объясняются, прежде всего, особенностями их гидратации, позволяющими наиболее полно реализовать вяжущие свойства клинкерной составляющей вяжущих, что отражают приведенные данные в таблице 1 [6].

Из приведенных в таблице 1 данных следует, что степень гидратации алита в ВНВ-100 существенно ниже, чем в исходном портландцементе, особенно в раннем возрасте. Этому соответствует пониженное содержание извести в продуктах гидратации ВНВ-100. Вместе с тем, прочность цементного камня на ВНВ во все сроки значительно превышает прочность исходного портландцемента.

При введении минеральной добавки степень гидратации алита в клинкерной части ВНВ возрастает тем больше, чем выше содержание добавки, что является следствием взаимодействия кремнеземистой составляющей минеральной добавки с выделяющейся при гидратации клинкерной составляющей вяжущего известью.

малоклинкерный вяжущий водопотребность дисперсность

Таблица 1 - Степень гидратации и прочность цементного камня на исходном портландцементе и ВНВ-100

Об этом свидетельствуют приведенные в таблице 2 результаты определения степени гидратации алита в различных вяжущих низкой водопотребности, в том числе ВНВ-40 - ВНВ-80, содержащих соответственно 60-20% золы-уноса ТЭЦ-22 Мосэнерго [6].

Таблица 2 - Влияние вида вяжущего на степень гидратации алита в цементном камне из теста нормальной густоты (НГ)

Следствием пуццолановой реакции в вяжущих низкой водопотребности с минеральной добавкой является пониженное содержание свободной извести в продуктах гидратации, которое в возрасте 28 сут составляет: в цементном камне на исходном портландцементе - 9,4%, в цементном камне ВНВ-100 - 3,5%, ВНВ-80 - 2%, ВНВ-60 - 1,6%, ВНВ-40 - 1,4%. Это

предопределяет повышенную коррозионную стойкость бетонов на основе ВНВ с минеральными добавками (в том числе сульфатостойкость, стойкость к выщелачиванию). Вместе с тем, в работе [6] было показано, что ВНВ с минеральными добавками, в том числе золами-унос, обладают существенными преимуществами по сравнению с тонкомолотыми цементными вяжущими (ТМЦВ) аналогичного вещественного состава, но с автономным применением суперпластификатора, как по обеспечению первичных защитных свойств бетонов по отношению к стальной арматуре, так и по сохранению клинкерного фонда при длительном твердении, а также по показателю диффузионной проницаемости и характеристикам поровой структуры.

Анализ рассмотренных данных показывает, что ВНВ, содержащие до 70% минеральных добавок (песок, зола, доменный шлак) по основным строительнотехническим свойствам, сопоставимы с традиционными портландцементами марки 400, обнаруживая, зачастую, значительные резервы прочности. Это позволяет рассчитывать на возможность дальнейшего сокращения доли клинкерной части вяжущего, обеспечив тем самым наиболее полную реализацию ее гидравлических свойств для изготовления строительных материалов и изделий, к которым не предъявляется высоких требований по прочностным свойствам и морозостойкости. Такими изделиями являются, прежде всего, бетонные стеновые камни. В соответствии с требованиями ГОСТ 6133, стеновые камни по прочности при сжатии подразделяются на марки 25, 35, 50, 75, 100, 125, 150 и 200, а марка по морозостойкости не превышает 50 циклов. Вместе с тем, в реальной строительной практике при возведении малоэтажных зданий (в том числе коттеджного и усадебного типа) требуемая марка стеновых камней по прочности, как правило, не превышает 50, а морозостойкость - 25-50 циклов. Если учесть, что по стандарту ГОСТ 6133-84 бетон для изготовления стеновых камней считается выдержавшим испытания на морозостойкость, если потеря прочности образцов после испытаний не превышает 25% от марочной прочности контрольных образцов (по ГОСТ 10060 - не более 5%), то требования к морозостойкости бетона стеновых камней будут еще мягче.

Исходя из вышесказанного и с учетом конструктивных особенностей стеновых камней (форма и размер пустот), наиболее употребляемая марка бетона по прочности для их изготовления соответствует марке 100-150 (класс бетона В7,5 - В12,5). При изготовлении изделий методом вибропрессования и правильно подобранном зерновом составе заполнителя бетон данной марки удовлетворяет и требованиям по морозостойкости. Вместе с тем, необходимость использования жестких бетонных смесей и недостаток цементного теста для заполнения межзерновой пустоты мелкого заполнителя на практике приводят к перерасходу цемента и значительному превышению фактической прочности бетона по отношению к проектной марке. Избежать этого без снижения плотности и структурной прочности свежеотформованных изделий, необходимой для немедленной распалубки позволяет использование малоклинкерных вяжущих, содержание клинкерного цемента в которых будет определяться только требованиями по прочности и морозостойкости, а также атмосферостойкости, так как для мелкоштучных неармированных изделий минимальный расход клинкерного цемента, обеспечивающий пассивацию стальной арматуры, может не рассматриваться.

Следует иметь в виду, что процесс механохимической активации при изготовлении малоклинкерных вяжущих является более сложным вследствие большего содержания различных минеральных компонентов в процессе совместного измельчения. Наиболее активными с точки зрения связывания суперпластификатора могут быть оксид и гидроксид кальция, а также различные формы гипса. Поэтому, нами было решено провести предварительные исследования модельных систем, таких как смеси СаО + С-3, Са(ОН) + С-3, гипс + С-3, а также смеси гидроксида и оксида кальция с инертным минеральным компонентом (песок). Введение минеральной добавки позволило не только приблизиться к реальному составу композиций малоклинкерных вяжущих, но и определить возможность повышения вяжущих свойств малоклинкерных вяжущих за счет использования продуктов гидратации химической реакции между СаО, Са(ОН) с Si0 из минерального компонента.

В данной связи значительный практический интерес представляет рассмотрение вопроса о комплексном использовании технологии механохимической активации и различных техногенных продуктов в качестве минеральных добавок при получении малоклинкерных вяжущих. При этом приготовление вяжущего по технологии ВНВ с применением механохимической активации будет способствовать снижению его водопотребности и повышению гидратационной активности клинкерной составляющей, что в совокупности должно привести как к увеличению прочностных свойств, так и к повышению эксплуатационных характеристик малоклинкерных вяжущих и бетонов на их основе.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Poon C.S., Ann T.W. Yu, L.H. Ng (2001). On-site Sorting of Construction and Demolition Waste in Hong Kong. Resources, Conservation and Recycling, 32 (2), 157-172.

Poon C.S., Kou S.C., Lam L. (2002). Use of Recycled Aggregates in Molded Concrete Bricks and Blocks. Construction and Building Materials, 16(5), 281-289.

Nataraja M.C., Nagaraj T.S., Bhavanishankar S., Ramalinga Reddy B.M. (2007). Proportioning Cement Based Composites with Burnt Coal Cinder // Materials and Structures, 40, 543-552.

Nataraja M.C., Das Lelin (2011). Feasibility Study for the Production of Non-structural Light Weight Concrete Using Characterized Cinder and GGBS // Indian Journal of Engineering and Materials Sciences, 18 (5), 361-369.

Бабаев Ш.Т., Башлыков Н.Ф., Сердюк В.Н. Основные принципы получения высокоэффективных вяжущих низкой водопотребности // Промышленность строительных материалов. Серия 3. Промышленность сборного железобетона / ВНИИЭСМ. - М., 1991, Вып. 1.

Волженский А.В., Буров Ю.С., Колокольников В.С. Минеральные вяжущие вещества. - М.: Стройиздат, 1973. 480 с.

Размещено на Allbest.ru